Défnition : la membrane plasmique est une enveloppe limitant la cellule et la séparant du milieu extérieur. La membrane cellulaire joue un rôle important dans les échanges (régulation du passage des nutriments mais aussi du gaz carbonique, des hormones, de l'oxygène et d'autres éléments permettant une activité cellulaire normale.

La membrane plasmique : structure et fonctions

La stabilité de la composition du milieu intérieur de la cellule est indispensable au maintien des

activités métaboliques. La cellule doit importer des molécules indispensables à sa structure et à

son fonctionnement ; elle doit évacuer les produits toxiques dus au métabolisme. La membrane

plasmique qui entoure toutes les cellules règle ce flux bidirectionnel grâce à sa perméabilité

sélective.

Vers 1925 : isolement des membranes plasmiques de globules rouges par lyse osmotique et

centrifugation (fantômes: ghost): la membrane plasmique est composée de lipides et de

protéines

Vers 1950: mise en évidence de la bicouche lipidique membranaire grâce à la microscopie

électronique, à la diffraction des rayons X et aux expériences sur les membranes artificielles de

phospholipides.

Donc la membrane plasmique est constituée de lipides (phospholipides,cholestérol, acides gras

et glycolipides) ; protéines et glucides.

I. Lipides membranaires

Les lipides membranaires sont des molécules amphiphiles qui forment spontanément des

bicouches en milieu aqueux (amphiphile = molécule ayant une extrémité hydrophile (polaire) et

une extrémité hydrophobe (apolaire).

Les bicouches de lipides membranaires sont capables d'autoassemblage et d'autofermeture en

présence d'un milieu aqueux (modèle de la bicouche de Singer et Nicholson). Ainsi une

émulsion de phospholipides dans l'eau donne lieu à la formation de liposomes, petites sphères

entourées par une bicouche lipidique ( Unit Mb).

Les lipides membranaires sont les phospholipides, le cholestérol et les glycolipides

Les phospholipides : exemple: la phosphatidylcholine ; c'est une molécule complexe

formée de choline (une substance basique), de phosphate, de glycérol et de deux chaînes

d'acide gras. La choline et le phosphate forment l'extrémité hydrophile de la molécule, les deux

chaînes d'acide gras forment l'extrémité hydrophobe.

Il y a d'autres phospholipides (phosphatidylsérine, phosphatidyl éthanolamine, sphingomyéline)

La longueur des acides gras des phospholipides est variable (14 à 24 atomes de carbone) .

Dans la membrane des eucaryotes, chaque molécule de phospholipides possède un acide gras

saturé et un acide gras insaturé.

Le cholestérol : cette molécule est très abondante dans les membranes plasmiques des

eucaryotes (elle est absente chez les procaryotes; elle est remplacée par l’ergostérol chez les

champignons de type candida) ; il peut y avoir jusqu'à une molécule de cholestérol par molécule

de phospholipides.

La molécule de cholestérol a une extrémité polaire (radical OH du premier cycle carbonique),

un noyau central rigide (la structure polycyclique) et une extrémité apolaire. Le cholestérol

s'intercale entre les molécules de phospholipides. Le noyau stéroïde immobilise les régions des

chaînes hydrocarbonées des phospholipides en regard.

Le cholestérol rigidifie la membrane ; il diminue la perméabilité membranaire aux molécules

hydrosolubles ; il empêche la gélification de la membrane en évitant la cristallisation des

chaînes d'acides gras entre elles. Donc il est considéré comme un tampon de la fluidité.

Des cellules mutantes qui sont incapables d'effectuer la synthèse du cholestérol se lysent

rapidement sauf si du cholestérol est ajouté au milieu de culture.

Les glycolipides

Ces molécules peu abondantes (moins de 5 % des lipides membranaires) sont composées

d'une partie lipidique qui est insérée dans la bicouche et d'un groupement oligosaccharidique

qui pointe à l'extérieur de la membrane plasmique.

Ex: galactocérébroside, un constituant majeur de la myéline (gaine des nerfs).

Il n’y a pas de glycolipide dans le feuillet lipidique interne.

Le rôle des glycolipides est encore mal connu ; ils interviennent dans les interactions cellule-

cellule (interaction myéline-axone pour le galactocérébroside ); ils peuvent être des récepteurs

pour des substances extracellulaires ( immunologie). Ainsi la toxine cholérique est captée par

un glycolipide, le GM1, à la surface de la cellule intestinale.

- La mobilité des molécules de lipides à l'intérieur de la membrane plasmique est hyperrapide

au sein de la même couche (107 fois/seconde ).Ceci permet la diffusion latérale rapide des

molécules insérées dans la membrane à l'intérieur de la même couche . De plus il existe une

mobilité des molécules lipidiques autour de leur axe et des mouvements de flexion des acides

gras. La bicouche se comporte comme un liquide bidimensionnel (modèle de la mosaïque

fluide).

Par contre la mobilité des lipides est hyperlente d'une couche à l'autre (1 bascule toutes les 2

semaines) : il y a donc quasi absence de flip - flop des phospholipides. Ceci permet de

conserver une asymétrie de composition phospholipidique dans les deux feuillets de la

bicouche. Cette asymétrie est importante sur le plan fonctionnel : ex: dans la membrane du

globule rouge, le feuillet interne de la bicouche est plus fluide que le feuillet externe.

Dans le réticulum endoplasmique, lieu de synthèse des membranes cellulaires, il y a des

enzymes qui favorisent le flip-flop des phospholipides : les translocateurs ou flippases.

Une membrane biologique peut être considérée comme un liquide bidimensionnel qui possède

une certaine fluidité. La fluidité membranaire augmente :

* si les chaînes hydrocarbonées des phospholipides sont courtes

* si les chaînes hydrocarbonées ont des doubles liaisons)

La fluidité membranaire varie aussi avec le taux de cholestérol:

* si le taux est trop bas, les acides gras des phospholipides s'associent trop étroitement car ils

ne sont plus séparés par les molécules de cholestérol: il y a "gélification " des acides gras et

baisse de la fluidité.

* si le taux de cholestérol est élevé, il y a une rigidification de la membrane par les interactions

cholestérol-phospholipides

La fluidité membranaire régule la perméabilité, la mobilité cellulaire, l'endocytose, et module

l'activité de protéines membranaires ( transporteurs, récepteurs...).

Chez certains animaux, la composition lipidique de la membrane plasmique se modifie afin de

mieux résister au froid (augmentation des acides gras insaturés).

II. Protéines membranaires

Les protéines qui sont de grosses molécules, sont moins nombreuses que les molécules de

lipides mais représentent 50-70 % de la masse de la membrane plasmique ; les lipides, plus

nombreux en nombre, constituent 30 à 50 % de cette masse.

Les protéines membranaires flottent dans la bicouche de phospholipides: c'est le modèle de la

mosaïque fluide (modèle de Singer et Nicholson). Lipides et protéines sont maintenus

ensembles par des liaisons non covalentes.

Caractéristiques chimiques des protéines : les protéines sont des polymères fabriqués à

partir de 20 acides aminés enchaînés (arrangement) par les liaisons peptidiques (structure

primaire).

NH2 - CH- COOH + NH2 - CH - COOH -------> NH2 -- CH- CO-NH - CH - COOH + H2O

R1 R2 R1 R1

Les protéines membranaires périphériques

Ces protéines sont liées par des forces ioniques aux extrémités hydrophiles des phospholipides

ou à des protéines intégrées dans la membrane ; les protéines périphériques sont facilement

détachées de la membrane par des solutions hypersalines à force ionique élevée (NaCl). Les

protéines périphériques peuvent être situées sur le versant interne (spectrine, actine) ou sur le

versant externe de la membrane (glycoprotéines).

Les protéines membranaires intégrées

Elles représentent la majorité des protéines membranaires. Elles sont amphiphiles : elles possèdent des régions hydrophobes et hydrophiles. Certaines protéines traversent plusieurs fois la membrane (ex de la glycoprotéine P 180, responsable de la résistance multidrogue).

La solubilisation des protéines membranaires intégrées nécessite des détergents ( ex:

sodium dodécylsulfate). Les détergents solubilisent les lipides et libèrent les protéines de la

bicouche. Il suffit ensuite d'enlever le détergent par dialyse pour récupérer des protéines

membranaires purifiées.

Rôle des protéines membranaires

Elles peuvent être

* des transporteurs

* des enzymes catalytiques de réactions associées à la membrane

*des protéines de liaison de cellules entre elles ou à la matrice extracellulaire

* des récepteurs pour les hormones, facteurs de croissance

L'activité des protéines de la membrane plasmique est modulée

*par la composition en phospholipides membranaires: certains groupements chimiques des

phospholipides activent ou inhibent l'efficacité des protéines : ces mécanismes de régulation de

proximité, très fins et encore mal connus, expliquent la nécessité de la diversité de la

composition membranaire en phospholipides.

* par la fluidité membranaire : la fluidité membranaire est plus élevée au niveau de la couche

interne de la bicouche ; ceci est du à la richesse de cette couche interne en

phosphatidyléthanolamine et en phosphatidylsérine. La couche externe de la bicouche est

moins fluide du fait de l'abondance en phosphatidylcholine et en sphingomyéline . Cette

asymétrie de composition en phospholipides entre les deux versants de la bicouche est

provoquée par des translocateurs de phospholipides; ces translocateurs sont des enzymes qui

favorisent le " flip flop " des phospholipides au niveau de leur lieu de synthèse : le réticulum

endoplasmique.

Mobilité des protéines

Les protéines se déplacent dans la couche lipidique (diffusion latérale) en gardant toujours leur

polarité. Exemple : la mobilité latérale des antigènes membranaires peut être repérée par des

anticorps fluorescents : phénomène de "patching" chez le lymphocyte.

* la glycophorine: c'est une protéine qui ne traverse la membrane qu'une seule fois. La portion

extracellulaire est fortement glycosilée ; elle porte en particulier des résidus d'acide sialique qui

sont responsables de la charge de surface électronégative du globule rouge ; la répulsion des

charges négatives de deux globules proches empêche la formation d'amas globulaires en

rouleaux qui gêneraient la circulation dans les capillaires

Glucides membranaires

Les cellules eucaryotes possèdent des glucides à la surface extracytoplasmique de la

membrane (mais jamais à la face intracytoplasmique de la bicouche). Les glucides sont liés aux

protéines membranaires (glycoprotéines) ou à certains lipides (glycolipides).

Les principaux glucides membranaires sont: le galactose, le mannose, la galactosamine, la

glucosamine et le glucose .

Les glucides peuvent être mis en évidence en microscopie électronique grâce au rouge de

ruthénium (cell-coat). La microscopie électronique permet de mettre en évidence un feutrage

pericellulaire de résidus glucidiques : le glycocalyx (manteau cellulaire = cell coat).

Les antigènes de groupe sanguins ABO sont des glycolipides insérés dans la membrane

plasmique des érythrocytes. Ils sont composés de sucres complexes reconnus par des

anticorps naturels du plasma. Il a un rôle dans la protection des surfaces cellulaires. ex: le

mucus des cellules intestinales, en continuité avec le glycocalyx des bordures en brosse.

Perméabilité de la membrane plasmique

Les spécialisations de la membrane plasmique . Microvillosités apicales et invaginations basales Les microvillosités apicales sont des replis qui intensifient les échanges de l’extérieur vers l’intérieur de la cellule (ex entérocytes). Les invaginations basales sont des replis qui intensifient les échanges de l’intérieur vers l’extérieur de la cellule ( batonnets de Heinenhein).

Les jonctions cellulaires

Les jonctions serrées A faible grossissement au ME, les membranes des deux cellules semblent se fusionner espace intercellulaire réduit (d’où le nom de jonction serrée).

Les jonctions intermédiaires : desmosome en ceinture Les deux membranes cellulaires voisines sont légèrement écartées (caractéristique des desmosomes). Elles sont fortement reliées par des glycoprotéines transmembranaires, les cadhérines. Rôle : - Adhérence - Morphogenèse des épithéliums embryonnaires (potentialité contractile de l’actine)

Les desmosomes constituent des jonctions d'ancrage.Leur structure est sous forme d’un petit disque. Les glycoprotéines transmembranaires sont des cadhérines spéciales (desmocolline et desmogléines). Des protéines membranaires extrinsèques, caténine et les desmoplakines asssurent le lien avec les filaments intermédiaires.. Ces protéines périphériques, associées à de nombreuses autres, forment la plaque desmosomale ou plaque dense sur laquelle viennent s’ancrer les filaments intermédiaires. Rôle : le nombre de desmosomes est important dans certaines variétés de tissus (Rassemblement de cellules) soumis à des contraintes mécaniques. C'est le cas de la peau, des tissus composant les muscles cardiaques et de ceux du col de l'utérus entre autres. Les hémidesmosomes : Complexe d’adhérence à la matrice extracellulaire En ME, il ressemble à un demi desmome, sans son vis à vis

Les jonctions communicantes ou gap junction, Appelés également jonctions lacunaires ou jonctions communicantes, il s'agit du mécanisme permettant le passage d'une cellule à une autre. À ce niveau les membranes cellulaires sont rapprochées les unes des autres et reliées par des cylindres que l'on appelle des connexons. Chaque membrane présente des canaux, les connexons, formés par 6 protéines transmembranaires de la famille des connexines . Rôle : synchronisation des cellules, transmission de signaux (synapses électriques neuronales). -permettent le passage des éléments vitaux tout particulièrement chez l'embryon car elles assurent la circulation des nutriments en attendant la formation du système sanguin. -Elles permettent également la transmission des signaux à l'origine du développement de l'ensemble des cellules constituant les tissus.

Transmission synaptique

Transmission d’un méssage hormonal

Les chaînes hydrophiles extramembranaires sont tournées vers l'extérieur ou l'intérieur de la

cellule. La chaîne extracellulaire peut être, par exemple, un récepteur pour une hormone. La

fixation de l'hormone modifie la conformation spatiale du récepteur ; il y a ensuite transduction

du signal vers le site actif de la protéine situé sur la chaîne hydrophile du versant cytoplasmique

; le site est activé, il y alors fixation et transformation du substrat si le site actif est doué d' une

activité enzymatique .